Что такое язык описания аппаратуры (HDL)
На заре появления цифровой электроники, цифровые схемы в виде диаграммы на бумаге были маленькими, а их реализация в виде физической аппаратуры — большой. В процессе развития электроники (и её преобразования в микроэлектронику) цифровые схемы на бумаге становились всё больше, а относительный размер их реализации в виде физических микросхем — всё меньше. На рисунке ниже, вы можете увидеть диаграмму цифровой схемы устройства intel 4004, выпущенного в 1971 году.
Рисунок 1. Цифровая схема процессора intel 4004[1].
Данная микросхема состоит из 2300 транзисторов[2].
За прошедшие полсотни лет сложность цифровых схем выросла колоссально. Современные процессоры для настольных компьютеров состоят из десятков миллиардов транзисторов. Диаграмма выше при печати в оригинальном размере займет прямоугольник размером 115х140см с площадью около 1.6м2. Предполагая, что площадь печати имеет прямо пропорциональную зависимость от количества транзисторов, получим что печать диаграммы современных процессоров потребует площадь в 16млн. м2, что эквивалентно квадрату со стороной в 4км.
Рисунок 2. Масштаб размеров, которых могли бы достигать цифровые схемы современных процессоров, если бы они печатались на бумаге.
Как вы можете догадаться в какой-то момент между 1971-ым и 2022-ым годами инженеры перестали разрабатывать цифровые схемы, рисуя их на бумаге.
Разумеется, разрабатывая устройство, не обязательно вырисовывать на схеме каждый транзистор — можно управлять сложностью, переходя с одного уровня абстракции на другой. Например, начинать разработку схемы с соединения функциональных блоков, а затем рисовать схему для каждого отдельного блока.
К примеру, схему intel 4004 можно представить в следующем виде:
Рисунок 3. Структурная схема intel 4004[2].
Однако несмотря на это, даже отдельные блоки порой бывают довольно сложны. Возьмем блок аппаратного шифрования по алгоритму AES на рисунке 4:
Рисунок 4. Структурная схема блока аппаратного шифрования по алгоритму AES[3].
Заметьте, что даже этот блок не является атомарным. Каждая операция Исключающего ИЛИ, умножения, мультиплексирования сигнала и таблицы подстановки — это отдельные блоки, функционал которых еще надо реализовать.
В какой-то момент инженеры поняли, что проще описать цифровую схему в текстовом представлении, нежели в графическом.
Как можно описать цифровую схему текстом? Рассмотрим цифровую схему полусумматора:
Рисунок 5. Цифровая схема полусумматора.
Это устройство (полусумматор) имеет два входа: a и b, а также два выхода: S и P. Выход S является результатом логической операции Исключающее ИЛИ от операндов a и b. Выход P является результатом логической операции И от операндов a и b.
Текст выше и является тем описанием, по которому можно воссоздать эту цифровую схему. Если стандартизировать описание схемы, то в нем можно будет оставить только слова, выделенные жирным и курсивом. Пример того, как можно было бы описать эту схему по стандарту IEEE 1364-2005 (язык описания аппаратуры (Hardware Description Language — HDL) Verilog):
module half_sum( // устройство полусумматор cо
input a, // входом a,
input b, // входом b,
output S, // выходом S и
output P // выходом P.
);
assign S = a ^ b; // Где выход S является результатом Исключающего ИЛИ от a и b,
assign P = a & b; // а выход P является результатом логического И от a и b.
endmodule
На первый взгляд кажется, что такое описание даже больше, чем записанное естественным языком, однако так кажется только из-за переноса строк и некоторой избыточности в описании входов и выходов, которая была добавлена для повышения читаемости. То же самое описание можно было записать и в виде:
module half_sum(input a, b, output S, P);
assign S = a ^ b;
assign P = a & b;
endmodule
Обратите внимание, что код на языке Verilog описывает устройство целиком, одномоментно. Это описание схемы выше, а не построчное выполнение программы.
Может показаться, что описывать устройство текстом сложнее, чем рисовать схему (тем более что сперва мы уже нарисовали схему, а затем её описали). Однако, с практикой описание схемы в текстовом виде становится намного проще и не требует диаграммы. Для описания достаточно только спецификации: формальной записи того, что должно делать устройство, по которой разрабатывается алгоритм, который затем претворяется в описание на HDL.
Занятный факт: ранее было высказано предположение о том, что инженеры перестали разрабатывать устройства, рисуя цифровые схемы в промежуток времени между 1971-ым и 2022-ым годами. Так вот, первая конференция, посвященная языкам описания аппаратуры состоялась в 1973-ем году[4, стр. 8]. Таким образом, Intel 4004 можно считать одним из последних цифровых устройств, разработанных без использования языков описания аппаратуры.